光伏微網在變電站站用電系統中的應用

張作鵬 顧 潔

（上海交通大學電力傳輸與功率交換控制教育部重點實驗室，上海200240）

0 引言

光伏發電技術的日益成熟及其成本的下降，使光伏微網系統得到推廣。目前市場上已有許多廠家可以提供成熟的光伏微網解決方案，光伏發電系統也已運用于許多工程中，如上海世博主題館屋面的光伏發電系統［1］及大容量光伏發電并網項目［2］。上海目前的變電站多為獨立建筑的室內變電站，變電站的屋面為平頂或坡頂。利用這些屋頂安裝光伏發電系統，將光伏系統發出的電能接入變電站的站用電系統，能滿足變電站的部分負荷需求，同時提高站用電系統的可靠性。對于供電公司來說，這樣既能節省一定的變電站自身能耗，長遠來看具有良好的經濟效益；又能做到綠色環保，符合目前的發展趨勢，創造良好的社會效益。這一設想已經將110 k V迪斯尼變電站作為試點在浦東供電公司投入使用。本文將介紹變電站光伏系統的組成及控制策略，估算其發電量及節能減排的效果，希望對光伏微網系統在今后變電站新建及改造工程中的推廣使用起到一定的借鑒作用。

1 系統組成

下面將以上海地區典型的110 k V變電站為例，介紹如何利用變電站的屋面建設光伏系統供站內負荷使用。主要包括光伏系統容量的確定、系統主接線及主要設備的安裝。

1.1 系統容量

以目前上海典型的110 k V變電站屋面為例，其平頂能夠安裝太陽能電池板的面積約為500 m2。目前主流使用的太陽能多晶硅電池板長約1.65 m，寬1 m。去除所需的巡視維護通道，約可以安裝100塊電池板。每塊電池板的功率為245 Wp，系統的總功率為24.5 k Wp。逆變器的轉換效率約為90%，故光伏系統實際容量約為22 k Wp。光伏系統的發電高峰時間在10：00—15：00之間，根據統計，此時的變電站正常負荷約在10～15 k W（夏季空調負荷不考慮），因此光伏發電系統略有盈余，可以配置儲能系統儲存多余電量，在系統發電量不足時補充站用電負荷。由于光伏發電出力不穩定，儲能系統容量不宜過大，故選擇30 k W·h。

1.2 電氣主接線

目前新建設的變電站站用電系統均采用交直流一體化電源系統，多采用2臺站用變壓器進線經過ATS切換后接入站用電交流母線的單母線接線形式。加入微網后，如圖1接線，Ⅰ母為交直流一體化電源系統交流柜380 V母線，Ⅱ母為微網接入柜的380 V母線，2條母線間設置分段開關。站內照明動力電源接入微網母線。站內的重要負荷，比如直流系統和UPS從2條母線各引一路進線，通過ATS切換后進行供電，進一步提高其供電可靠性。光伏微網發電系統按照最大功率跟蹤模式進行工作，即當光伏發電量小于負荷用電量時，與儲能系統和站用變一同給站內負荷供電；當光伏發電量大于用電負荷時，給儲能裝置充電。系統接線圖如圖1所示。

圖1 系統接線圖

1.3 系統安裝

由于采用動態跟蹤方式造價高昂，同時屋面也不能承載大型跟蹤系統，在工程實踐中普遍采用固定式支架安裝多晶硅太陽能電池板。根據上海地區氣象條件進行分析，光伏組件在上海地區的最佳安裝角度為26°，這個角度能夠最大限度地利用太陽能。在屋面光伏整列布置時，需避開屋面女兒墻的陰影區域，前后兩排的平均間距約為1.5 m，以保證全年9：00—15：00（真太陽時）時間段內前后組件互不遮擋。光伏陣列中間區域間隔1 m，預留人員行走及電纜敷設通道。經布置計算可以安裝100塊多晶硅電池板，組件每20塊為一串，共計5串串入一臺25 k W小型逆變器。

2 微網控制策略

正常情況下，1號站用變給交直流一體化電源系統交流380 VⅠ母供電，主要為站內重要負荷；2號站用變給交流380 VⅡ母即微網接入柜供電，主要包括站內照明動力電源、儲能系統等。

當1號站用變失電、2號站用變正常時，運行于Ⅰ母上的重要負荷靠ATS開關切換到Ⅱ母，掛在Ⅱ母的逆變器和儲能裝置工作模式沒有變化，光伏逆變器和儲能變流器繼續工作在有功—無功（PQ）模式。如1號站用變失電是由其10 k V側母線失電引起，10 k V自切動作，則1號站用變10 k V側恢復供電，所有原Ⅰ母所帶負荷由Ⅱ母經ATS切換回Ⅰ母，恢復正常供電。

當2號站用變失電時，接于Ⅱ母的一些非重要負荷、光伏逆變器和儲能裝置因為母線失電而暫時退出。此時，如果2號站用變10 k V側通過自切切換到1號站用變所在的10 k V母線，監控系統通過檢測并網點站用變側“有壓和開關位置”聯合條件，判斷出有電，儲能裝置和光伏逆變器投入運行，都工作在PQ模式，恢復正常供電。若監控系統通過檢測并網點站用變側“有壓和開關位置”聯合條件，判斷出無電，微網進入孤島模式，工作模式由PQ切換為電壓—頻率（V／f）模式，切換完成后主電源建立，負荷陸續投入運行；當2號站用變恢復供電時，通過檢測聯合條件，判斷出有電，此時將Ⅱ母上的儲能變流器和光伏逆變器退出，切換回PQ模式，再將儲能變流器和光伏逆變器重新投入，恢復正常供電。

1號和2號站用變都失電，掛在2段母線的負荷短暫失電，微網進入孤島模式，切換為V／f工作模式，主電源建立。Ⅰ母負荷通過ATS自動切換至Ⅱ母供電。當上級電源恢復供電，站用變充電完畢后，先投入1號站用電進線開關，站用電Ⅰ母帶電，重要負荷經ATS開關切回Ⅰ母。微網由V／f模式轉回PQ模式，供電恢復正常。

當微網處于孤島運行模式時，要切掉不重要的負荷，包括檢修電源、插座電源、空調電源等，優先保證直流系統和UPS電源。當1號或2號站用變檢修時，可以手動合上380 V母線的分段開關，由一臺站用變和微網共同維持供電。

3 效益分析

本系統的光伏組件發電容量在22 k Wp，考慮光照強度、安裝方位角、線路損失等因素，系統的平均輸出功率在20 k Wp左右。根據氣象資料，上海地區的年平均日照時間在1 900 h左右。故系統的年發電量為20 k Wp×1 900 h＝3.8萬k W·h。以1 kg標準煤可以生產3 k W·h電能計算，系統每年可以節約燃煤約12.7 t。每噸標準煤約排放2.6 t二氧化碳，則全年可以減排二氧化碳約33 t。隨著光伏系統的造價越來越低，其經濟效益和社會效益將日益顯著。

4 結語

在能源日益緊張的當今社會，發展綠色能源已經得到全社會的廣泛認同，光伏這一最適合城市使用的綠色能源應當得到推廣。前面分析一座110 k V變電站的微網系統每年就可以減排二氧化碳33 t，如果全上海的變電站均配備光伏微網系統，全年可以節約的燃煤和減排的二氧化碳數量是相當可觀的。目前使用光伏發電的變電站很少，在今后的變電站建設和改造過程中，應當大力推廣光伏微網系統。

［1］包順強，陳水順，武攀，等.上海世博會主題館光伏發電系統［J］.建筑電氣，2010（6）：29～33

［2］陳林璞，萬志剛，曹二營.安陽市1 MW太陽能并網光伏電站示范項目方案設計［J］.陽光能源，2009（5）：66～68